基于三维激光扫描技术的地下管廊三维模型重建及应用研究

闫志港

（宿迁泽达职业技术学院，江苏 宿迁 223800）

0 引言

随着我国城市化进程的不断加快、完善，城市高速发展的空间需求与有限的土地资源之间的矛盾不断加深，城市空间的利用已经成为城市发展不可忽视的问题，单纯的地面空间的周边扩张与竖向上管廊的增高、立交桥等传统发展模式不足以适应社会的要求。而地下管廊作为地下空间综合利用建设的有效方式之一，能够有效缓解城市道路拥挤问题及运行发展的给排水、燃气、通信等管线敷设凌乱与城市改扩建之间存在的一系列矛盾。近两年，自然资源部发布各类相关指导意见，要求到2025 年建立地下空间资源开发利用管理制度，应用信息化技术开发利用地下空间资源。因此，各区域管理部门亟需通过数字化管理平台，以实现更加清晰、准确地获取管廊地理信息、工程数据等信息，便于设计人员、施工人员和维护人员针对实际情况进行相应的规划和操作，从而推动城市智能化发展。

采集地下管廊坐标数据、建立三维可视化模型、得到地下管廊精确表达信息是其三维数字化管理的前提和基础，但由于地下管廊空间狭窄，光线不充足，传统测绘方式在这样的情景下作业具有很大局限性。随着信息技术的不断发展，三维激光扫描技术突破了单点测量方式，通过非接触扫描，高效率、高精度获取目标物各方向、高密度表面海量的三维空间坐标点云数据，通过计算机辅助建模，实现三维可视化管理和应用［1］。

1 相关理论基础

1.1 三维激光扫描理论基础

三维激光扫描系统测量原理是利用发出的激光脉冲束照射物体对物体表面进行扫描，同时记录下每个位置激光的发射和反射时刻，通过记录光传播时间，计算出激光束传播路径的距离和间距，再根据接收激光束返回的反射波水平和垂直方向的偏向值，从而得到物体表面各个位置的三维坐标信息。如图1 所示，X轴在横向扫描面内，Y轴在横向扫描面内与X轴垂直，Z轴与横向扫描面垂直，获得P点坐标［2］。

图1 三维激光扫描测量点坐标原理图

1.2 地下管廊测量技术与方法比较

1.2.1 传统测量方法

传统测量方法获取三维数据的核心是联系测量，地上布设控制网，然后通过竖井联系测量将地面点平面坐标和高程传递至地下，通过地下测量目标物平面位置和高程，最终建立相应的三维模型。这种方式布点灵活，但是工作强度大，需要获取大量的外业数据，作业效率低，并且点位数据较少，严重影响建模的精细化程度，不能满足建模的需要。

1.2.2 近景摄影测量

近景摄影测量技术可以高效获取被测物体大量的物理、几何信息，而不触及、不伤害被测目标，并且测量成果精度较高，但其最大缺陷是对观测环境要求高，在光线不充足区域，如地下管廊、人防空间等都难以开展。

1.2.3 三维激光扫描

三维激光扫描技术可以大面积、高效获取被测对象表面三维坐标数据，具备快速性、非接触、高精度、自动化等多种特性，不易受外界环境影响，适用于复杂场景扫描。

通过几种测量方式对比可以看出，在适应地下管廊复杂特性的基础上，三维激光扫描技术优势明显：1）无需建立地上、地下控制网，只需少数几个控制点即可完成对全部目标区域的三维数据获取，极大地缩短了时间，节约了人力物力；2）环境适应性强，无需考虑光线条件、被观测物体形态等，只需多角度多次扫描，即可得到被测区域的空间信息；3）数据采集精度高，数据采集主动发射激光，接受激光反射信号，运用数学手段获取观测物体表面数据，自动化程度高，减少了人工操作误差与数据处理的过程［3］。

2 测区概况及点云数据处理

2.1 测区概况

实验测区位于某市地下综合管廊，该地下空间主要集中存放该市保障基础设施运行的各类“生命线”，如，电力、通信、燃气、供热、给排水等各种工程管线。经实地踏勘，管廊全长890.5 m，主要呈东西走向，管廊内各类基础设施众多，环境复杂，安全隐患众多，管理人员巡检或定检过程中管理困难，因此亟需对管廊管道和附属设施建立三维模型，准确反映对象的空间相对位置并完整地表达对象主要特征，方便后期规划和管理。地下管廊现场概况如图2 所示。

图2 地下管廊现场概况

2.2 外业数据采集及预处理

基于三维激光扫描技术建立地下管廊三维模型，首先外业获取点云数据，然后对点云数据预处理，再对预处理后的点云数据应用Revit 软件建立管道三维模型，并对管道数据赋予纹理信息和属性信息，对其他附属设施利用其他建模软件，如3ds Max、SketchUp 等进行建模，最后对拟合后的管道和附属设施合并。整体流程如图3 所示。

测区环境视线较为昏暗，整体较为密闭，外业扫描前需要结合设计图纸和实地进行测站布控设计，每隔25 m 布设一个测站，在环境复杂区域另加设测站，设置好扫描参数后进行数据采集。外业数据采集完成后需进行内业预处理，包括点云配准、点云数据源去噪和坐标转换。点云配准是将不同视角获取的点云数据按照一定的几何变换进行拼接和融合，得到较为完整的、准确的三维数据，由于管廊内地物特征明显，因此未在测区内布设靶标，内业主要基于特征点进行配准；点云去噪和分割是将非目标点云数据进行删除，将冗余点云数据分割、删除，本项目只保留管廊、管道及附属建筑点云数据；坐标转换是将相对坐标点云数据，转换到绝对坐标系下，本项目主要将地下管廊坐标转换到当地坐标系下，方便后期空间定位。预处理后的点云数据如图4 所示。

图4 地下管廊整体和局部点云数据

3 基于BIM技术的地下管廊三维模型重建

3.1 基于BIM技术的地下管廊三维模型

地下管廊建模使用的软件是Revit，该软件建立的模型属性表达规范完整，能实现各建模单元接边正确、合理，数据格式及纹理数据命名统一、规范，能满足《城市地下市政基础设施普查技术规程》要求。Revit 软件能识别的点云数据格式是.RCS 或者.RCP，不能直接导入，需要建立索引。本项目主要借助“Point Cloud ReCap Setup”插件导入，在Revit中打开“插件”菜单，选择“Point Cloud ReCap Setup”选项，导入点云数据。待点云数据导入软件后，再进行以下几个步骤构建管廊三维模型［4］：

1）建立“族”构建。“族”是BIM 建模的基础单元，由于管道设施中有部分设施是重复的，因此将重复基础单元点云数据分割出来，如，支架、工形钢梁、消防设施以及出入口指示牌等制成组件形式，方便后期重复调用。

2）标高和轴网的建立。在Revit 建模中，标高可以控制建筑物在垂直方向的高度，轴网可以控制建筑物在水平方向上的位置和构建尺寸。在Revit的视图中，选择“建筑”选项卡，找到“建筑和结构”区域的“标高”命令，点击该命令，在视图中鼠标点击所需的高度位置，即可创建标高；轴网绘制时，在Revit 的视图中，选择“建筑”选项卡，找到“视图控制”区域的“轴网”命令，点击该命令，在视图中拖动鼠标绘制轴网。并在视图中选中要编辑的轴网，然后在属性栏中修改轴网的名称、界限等信息，还可以对轴网进行放置位置的微调，以满足具体的设计需求。

3）构建BIM 模型。BIM 模型构建需要参照点云数据，首先在“插入”选项卡中，点击“点云”功能，找到导入的点云，点击载入并设置点云的可见性及透明度。然后基于点云数据，将不同类别的目标对象进行相应的编辑，如拉伸、旋转、倾斜、缩放等操作，将管廊内各种目标物分别创建出来，如各类管道（电力管道、污水管道、通信管道、给水管道、燃气管道和雨水管道）等，建模过程中需要校对模型中的元素，确保其符合设计要求和标准。需要注意的是，管道建模时管道节点点云数据常出现缺失，由于节点基本规格类似，因此可根据物探表确定。管道间采用不同节点相连，调整每根管道的起点标高和终点标高，最终生成三维管道模型。

最后在模型构建过程中需要对关键部件赋予模型材质、属性等相关信息，方便后期数字化管理，然后将“族”构建模型分层有序依次导入，直到将所有对象合并到合模文件中。

基于点云数据，结合Revit 软件建好的地下管廊BIM 模型如图5 所示。

图5 地下管廊BIM 模型

3.2 精度评价

对拟合后的管道进行精度评价，将通过精密测量设备管道外业实测数据与拟合数据进行对比，评价相关结果是否满足《测绘成果质量检查与验收》（GB/T 24356—2023）要求，相关计算公式如式（1）所示［5］：

式中：L为管道长度；D为管道直径；σ为检查点单位权中误差。本次管道长度和管道直径分别选择25 个检查点验证，由于管道长度和直径不一，相差较大，距离长和直径大的管道必然偏差值较大，因此还需计算相对误差，最后对各成果进行精度统计。结果显示：拟合后的管道模型精度较高，管道直径的相对误差最大为5.7%，最小为3.3%；管道长度的相对误差最大为5.04%，最小为4.3%。管道直径与管道长度的单位权中误差均不超过1 cm。整体来看，模型质量精度达94.3%。

4 三维可视化应用研究

在地下管廊三维可视化方面，本文利用WebGIS、Vue 框架等技术构建了Web 端应用，可支持对外勤作业任务的发布、作业提交审核，以及设备从安装至卸载的生命周期管理。此外，调度人员可以实时了解地下空间重要设施的运行状态和外勤作业人员状态，并根据实际需求发布巡检、维修、抢险等外勤任务，随时掌握最新的场地情况，及时响应各种应对突发事件的需要，提高工作效率和处理速度。并且管理人员可查询SCADA 系统进行数据统计分析，了解作业人员历史数据、业绩考核等情况，进而实现了地下管廊巡检管理、设备管理、用户管理、事件上报管理、人员管理和统计分析等管理的自动化和智能化［5-6］。三维可视化页面如图6所示。

图6 地下管廊三维可视化页面

5 结语

本文基于地下管廊的特征，分析了已有的测量方式在地下管廊空间测量的局限性，并对比表明了三维激光扫描在地下场景数据采集的优势。最后利用三维激光扫描仪对地下管廊进行数据采集，应用Revit 软件使用BIM 技术对地下管廊进行三维建模，并设计和开发了地下管廊三维可视化系统，研究结果对未来地下空间的开发、统筹规划以及合理有序管理具有一定参考价值。